模糊PID控制器設(shè)計

1、模糊PID控制器o引言：PID控制作為一種典型的傳統(tǒng)反饋控制器，以其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)和魯棒性好等特點在工業(yè)過程控制中廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)需要被控對象的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行調(diào)整，而控制過程 中的滯后性、控制參數(shù)的非線性和高階陛增加了對Kp、Ki、Kd三個參數(shù)的調(diào)整難度。所以對確定的控制系統(tǒng)通過復(fù)雜的計算后，其三個參數(shù)的值在控制運(yùn)行中一般是固定的，不易進(jìn)行在線的調(diào)整。而在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對象受到負(fù)荷變化和干擾因素的作用，其對象參數(shù)的特征和結(jié)構(gòu)易發(fā)生改變，這就需要對參數(shù)進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整。同樣因為被控系 統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，其精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，甚至無法建立模型，所以需要

2、利用模糊控制技術(shù)等方 法來解決。模糊PID無需考慮被控系統(tǒng)的模型，而只根據(jù)其誤差e和誤差變化ec等檢測數(shù)據(jù)來自適應(yīng)調(diào)整Kp、Ki、Kd的值，最終使被控系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作態(tài)。 1、傳統(tǒng)PID控制器：PID參數(shù)模糊自整定是找出PID中3個參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測e和ec,根據(jù)模糊控制原理來對3個參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動穩(wěn)態(tài)性能。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度 等方面來考慮Kp,Ki,Kd的作用如下：(1)比例系數(shù)Kp的作用是：加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

3、精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；Kp取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。 (2)積分作用系數(shù)Ki的作用是：消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ki越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但Ki過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；若Ki過小，將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 (3)微分作用系數(shù)Kd的作用是：改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。其作用主要是能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢，并能在偏 差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時 間。 2、模糊PID參數(shù)自整定控制器設(shè)計 2.

4、1控制器結(jié)構(gòu)：由PID各個參數(shù)對系統(tǒng)的影響得到:(a)當(dāng)誤差|e|較大時，說明誤差的絕對值較大，不論誤差的變化趨勢如何，都應(yīng)該考慮控制器的Kp取較 大值，以提高響應(yīng)的快速性；而為防止因為|ec|瞬時過大，kd應(yīng)該取較小的值；為控制超調(diào)，ki也應(yīng)該取 值很小。(b)當(dāng)誤差|e|在中等大小時，為保證系統(tǒng)的相應(yīng)速度并控制超調(diào)，應(yīng)減小Kp, Ki值應(yīng)增大，Kd應(yīng)適中。(c)當(dāng)誤差©較小時，為保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性，應(yīng)加大Kp、Ki的取值，同時為避免產(chǎn)生振蕩，Kd的取值應(yīng)該和16cl聯(lián)系起來。模糊PID控制根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的不同狀態(tài)，考慮Kp Ki、Kd三者的關(guān)聯(lián)，根據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)計模糊整定這三

5、個參數(shù)，選擇輸入語言變量為誤差e和偏差變化率ec,語言變量值取NB,NM NSO, PS, PM, PB)七個模糊值；選擇輸出語言變量為©, Ki, Kd語言變量值也取NB, NM NSO, PS, PM, PB)七個模糊值，建立 Kp, Ki, Kd的模糊規(guī)則。2.3設(shè)計模糊控制器在MATLAB命令空間輸入fuzzy,彈出對話框，然后進(jìn)行設(shè)置，如圖:S =S Editor zhinengtongzFiie Edit ViewzhmengkongzFIS Type：mamdaniecAnd methodmin<TCurrent VariableOr methodmaxNamek

6、mplicatiormin1TType庶ar蟲七AggrcgcriionmaxTDefuzzificertio ncertroid<THedpinput-3 3CloseFIS Name：System '*zhinBngkcngz“； 2 inpifts, 3 outputs, and 49（Jew設(shè)置為兩輸入三輸出結(jié)構(gòu)。根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置輸入輸出的隸屬度函數(shù)都為:MembershipFunction Editor zhinengkongzRie Edit ViewFIS VariableskdReady設(shè)置完隸屬度'函數(shù)后；按照上述三個模糊規(guī)則表格設(shè)置模糊規(guī)則如.圖, HRu

7、le Editor： zhineriglcorigzFile Edit View Options1. W(e is rib) and - ec is nb 1 then (kp is pb)(ld is nlj)(kd is ps) (1)2. If (e is nbj and (ec is nm) then (kp is pbj(ki is nb)(kd is ns) (1)3. If (& is nbj and (ec is ns) then (kp is pmAlci is nm)(l£d is nbj (1)4. If (e is n 町 and (ec is zo)

8、 then (kp is pmAki isis nb (1)5. If (e is nb) and (ec is p$) then (kp is ps)(ki Is ns)(kd is nb) (1)6. If (e isnb)and (ec is pm)then (kp is zoXki is zo)(kd t£ nm)07. If (e is nb) and (ec is pb)thert (kp is zo)(ki Is zo)(kd is ps) (1)8. If e is nn) and (ec Is nb) then (kp Is Is nb)陋 is ias) (1)9

9、. If (e is nirr) and (ec Is nm) tnen (kp Isis nb 欣“is ns) (1)1D. If (e is nm) and (BC is ns) then (kp is pmXkl is nm)(kd is nb) 1 11. If (e is nm) and (BC is xoj then (kp is ps 麗 is ns)(kd is nm) 1)r Comedioin t w& And1!Delete ruleAdd rule Change ruleCloseFIS Name; zhinengAongzHelp”至磁盤，留給仿真調(diào)用，生成

10、的文件為:設(shè)置完畢后，保存文件zhi nen gk on gz.fis System Name='zh inengkon gz' Type='mamda ni' Versio n=2.0 Numl nputs=2 NumOutputs=3 NumRules=49 An dMethod='mi n' OrMethod='max' lmpMethod='mi n' AggMethod='max' DefuzzMethod=*ce ntroid'In put1 Name='e' R

11、an ge=-3 3 NumMFs=7 MF 仁nb':'zmf,-3-1 MF2=' nm'ftrimfJ-S -2 0 MF3=' ns'trimfJ-S -1 1 MF4=,zo,:'trimf,-2 0 2 MF5='ps,:'trimf,-1 1 3 MF6='pm':'trimf,0 2 3 MF7士pbTsmf,1 3Input2 Name='ec' Ran ge=-3 3 NumMFs=7 MF1=' nb'fzmfJ-S-l MF2=' nm

12、Ttrimf,卜3 -2 0 MF3=' ns'trimfJ-S -1 1 MF4='zo,:'trimf,-2 0 2 MF5='ps,:'trimf,-1 1 3 MF6=,pm':,trimf,0 2 3 MF7='pb,:'smf,1 3Outputl Name='kp' Ran ge=-3 3 NumMFs=7 MF1=' nb'fzmfJ-S-l MF2=' nmTtrimf,卜3 -2 0MF3rsTtrimf,卜3 -1 1 MF4=,zo,:'trimf,-

13、2 0 2 MF5='ps':'trimf,-1 1 3 MF6='pm':,trimf,0 2 3【LTcorJEWj-sullcoLLn o、corJEmEullCMLn tTeWENqullLLLwILl-WEnN ocoll 6 南 .pxll EeN Gndlno coL=ES.：.qdllZLW oCMo=Ef Edll9u_wcoL 工y.irsdllgLWCT0 e=Ew-:ozll寸 Ln HTcorJEWj-sullcoLn oQco=EE-;.-EUlleLW tTcoWENqullLLLnTSLWEnN coCOT 6 UBM&a

14、mp;lla EBN CM一 ndlno coL=ES.：-qdllZLW二(L)co寸T9 e 二eecogLDe 二(L)eco嗎寸CM 二(L二 7 90e 二e8 L ZCMe 二(L)g 'Le 二 a) g 寸寸KL 二(L)OJ寸T9 L 二(L二 eglnL 二 a二 99 W L 二(L二 790L 二(L)COL Z 7 廣 二a)g LZ二 ¥_n£ coL=ES?-qd.HZLW o。0=E_l-，Ed-H9LWco- L±ErsdllgLW n 0 e=E-s_:ozll寸 Ln2 7,344(1):13 1,6 1 4(1) :

15、 13 2,6 23 (1):13 3,632 (1):13 4,53 2(1):13 5,443(1):13 6,353 (1):13 7,354(1) : 14 1,624(1) : 14 2,623(1):14 3,533(1):14 4,443(1):14 5,353(1):14 6,26 3(1):14 7,264(1):15 1,524(1) : 15 2,534(1):15 3,444(1) : 15 4,354(1):15 5,354(1):15 6,264(1):15 7,274(1):16 1,547(1) : 16 2, 443 (1) : 16 3,355(1):16

16、4,255(1):16 5,265(1):16 6,275(1):16 7, 1 77(1) : 17 1,447(1) : 17 2,446(1):17 3,256(1):17 4,266(1):17 5,265(1):17 6, 1 75 (1) : 17 7, 1 77(1) : 13、系統(tǒng)仿真設(shè)控制對象為：G(s)=25/sa2+6s+25通過程序(含注釋)仿真如下：clear all;cic;讀取設(shè)定的FIS模糊控制器抽樣時間為1MS構(gòu)造系統(tǒng) G(s)=25/sA2+6s+25a=readfis('zh inengkon gz'); %ts=O.OO1;%sys=tf

17、(25,1,6,25);dsys=c2d(sys,ts,'z'); %nu m,de n=tfdata(dsys,V); %液置系統(tǒng)初值離散化得到系數(shù)u1=0;u2=0;y1=0;y2=0;x=0,0,0;e1=0;ec 1=0;Kp0=0.3;Ki0=2;Kd0=1;fork=1:5000;%time(k)=k*ts;r(k)=1;%fpid=evalfis(e1 ,ec1 ,a); %Kp(k)=Kp0+fpid(1); %仿真5S輸入階躍信號 模糊推理 得到新的參數(shù)Ki(k)=KiO+fpid(2);Kd(k)=KdO+fpid(3);u(k)=Kp(k)*x(1)+Ki

18、(k)*x(2)+Kd(k)*x(3);%PID輸出系統(tǒng)輸出y(k)=-de n(2)*y1-de n(3)*y2+num(1 )*u(k)+num(2)*u1 + nu m(3)*u2;% xlabel(,time(s),);ylabel( 'Kd ); grid on;計算誤差 更新數(shù)據(jù)對應(yīng)KP 對應(yīng)KI 對應(yīng)KD重新計算ec 重新計算ee(k)=r(k)-y(k);%u2=u1;u1=u(k);%y2=yl;y 仁 y(k);x(1)=e(k);%x(2)=x(2)+e(k)*ts;%x(3)=e(k)-e1;%ec 仁 e(k)-e1;%e1=e(k);%end%丁印輸出 figure(1);on;xlabel('time(s)');ylabel( fy');figure(2) plot(time,Kp,Y); xlabel('time(s)');ylabel( *Kp'); grid on;figure(3)plot(time,Ki,'b');grid on;xlabel('time(s),);ylabel( 'Ki');figure(4)plot(time,Kd；g');結(jié)果顯示:輸入輸出對比圖0.500511 522.5